Freitag, 14. Januar 2005
JPEG/MPEG & Co
alex.titze.fhtw-berlin, 09:22h
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vortrag (pdf, 233 KB)
Download der Ausarbeitung als PDF:
ausarbeitung (pdf, 258 KB)
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1. Einleitung (Abstract)
1.1 Deutsch
JPEG (Joint Photographic Expert Group) war in den Achtziger Jahren eine
Gruppe von Entwicklern, die sich mit einem Standard zur verlustbehafteten
Komprimierung von Bildern beschäftigte. Mit dem JPEG-Algorithmus ist es
möglich Bildkomprimierungsraten bis zu 20:1 ohne spürbaren Qualitätsverlust
zu erzeugen. Die Komprimierungsqualität ist vom Benutzer per
Konfigurationsparameter beeinflussbar.
Zur Komprimierung von Bewegtbildern wurde anfang der Neunziger Jahre ein
Standard entwickelt (MPEG – Motion Picture Expert Group). MPEG benutzt
die Grundalgorithmen der JPEG-Komprimierung, allerdings wird aufgrund von
Ähnlichkeiten aufeinanderfolgender Bilder zusätzlich komprimiert. Im Laufe
der Zeit entstanden mehrere MPEG-Formate für verschiedene
Einsatzgebiete.
1.2 English
In the mid eighties, a group of developer, called JPEG (Joint Photographic
Expert Group), were involved in inventing a standard for lossy image
compression. The JPEG algorithm allows creating image compression rates
up to 20:1 without noticeable loss of quality. The quality of compression is
configurable by the user per configuration parameters.
In the beginning of the nineties, a standard for compressing moving images
has been developed (MPEG – Motion Picture Expert Group). MPEG uses the
main algorithm of JPEG compression and additionally further compression
because of affinities of back-to-back images. In the course of time several
MPEG formats for different fields of applications have been developed.
2. JPEG
2.1 Geschichte
Um Bilder auf Datenträgern digital abspeichern zu können sind grosse
Datenmengen nötig. Mit intelligenten Algorithmen ist es möglich, diese
Datenmengen erheblich zu verkleinern. Aus diesem Grund machte man sich
in den Achtziger Jahren Gedanken, einen Standard zur verlustbehafteten
Bildkompression zu schaffen. Infolgedessen wurde 1984 die Joint
Potographic Expert Group (JPEG) gegründet.
Ziele dieses Projektes waren:
● eine Bildkompression mit akzeptabler Komplexität
● Unabhängigkeit von der Bildbeschaffenheit
● vom Benutzer beeinflussbare Bildqualität/Kompression
Im Jahre 1993 wurde ein ISO-Standard für das Ergebnis dieses Projekts
definiert, der ISO 10918.
Die korrekte Bezeichnung für Bilder, die mit JPEG komprimiert werden ist
JFIF (JPEG File Interchange Format). In der Umgangssprache hat sich diese
Bezeichnung allerdings nie durchgesetzt.
2.2 Überblick
Mit der JPEG-Komprimierung hat man die Möglichkeit in 3 verschiedenen
Farbformaten zu speichern:
● 8 Bit Graustufen mit 256 Grautöne
● 24 Bit RGB mit 16,7 Millionen Farben (geeignet für Bildschirmausdrucke)
● 32 Bit CMYK mit 4,3 Milliarden Farben
Die maximale Auflösung eines JPEG-Bildes beträgt 65535x65535 Pixel.
Diese Einschränkung ist natürlich ein Nachteil dieses Verfahrens, auf das
später noch hingewiesen wird (2.5 Schwächen).
Die Beeinflussung der Komprimierung durch den Benutzer erfolgt durch 2
weitere Speicheroptionen:
● Kompressionsstärke (meistens ein Wert von 1-100)
● Format
● sequentiell
● progressiv
● hierarchisch
Während im sequentiellen Format der Bildaufbau von oben nach unten
erfolgt, wird im progressiven Format das Bild in Stufen stetig verbessernder
Qualität aufgebaut. Das dritte Format, also das hierarchische Format, basiert
grundsätzlich auf dem progressiven Grundsatz, allerdings unter Verwendung
von Vorhersagealgorithmen.
Aufgrund verschiedener intelligenter Komprimierungsschritte ist mit dem
JPEG-Format ist eine Kompression von 20:1 ohne spürbaren Qualitätsverlust
möglich.
Im folgenden Beispiel sieht man die verschiedenen Kompressionsraten eines
JPEG-Bildes:
2.3 Komprimierungsablauf
2.3.1 Umwandlung des Farbformats
Im 1. Schritt, der Umwandlung des Farbformats, erfolgt kein zwangsläufiger
Qualitätsverlust, eher ein Informationsverlust. Das menschliche Auge nimmt
Helligkeitsveränderungen eher wahr als Farbveränderungen. Diese
Eigenschaft wird ausgenutzt, indem man das ursprüngliche RGB-Farbformat
in das YUV-Format umwandelt. Das YUV-Farbformat wird deshalb
verwendet, da dort Helligkeits- und Farbewerte getrennt vorliegen.
2.3.2 Diskrete Cosinus Transformation (DCT)
In der Diskreten Cosinus Transformation, die verwandt ist mit der Fourier
Transformation, wird das Bild in 8x8 Pixel-Blöcke aufgeteilt. Jeder Block wird
durch eine Funktion von 64 orthonormierten Vektoren beschrieben und es
entstehen deutlich kleinere Werte.
Das folgende Beispiel zeigt die Werte vor und nach der DCT:
2.3.3 Quantisierung
Bei der Quantisierung erfolgt der eigentliche Komprimierungsprozess, bei der
die in der DCT entstandenen Koeffizienten anhand einer
Quantisierungstabelle gerundet werden. Hierbei kommt dann auch der bereits
erwähnte Komprimierungsfaktor ins Spiel. Je höher dieser ist, desto mehr
wird gerundet, dementsprechend weniger gerundet wird bei einem kleineren
Komprimierungsfaktor.
Bei diesem Runden entstehen viele 0-Werte, da die Werte mitunter sehr klein
sind.
2.3.4 Koeffizientenkodierung
In diesem letzten Schritt der JPEG-Komprimierung wird die Vielzahl der in der
Quantisierung entstandenen Nullen ausgewertet. Es ist nicht sinnvoll diese
Werte einfach abzuspeichern. Deshalb wird hier nur die Häufigkeit ihres
Auftretens abgespeichert.
Dadurch wird abermals Speicherplatz gewonnen. In diesem 4. Schritt der
Komprimierung handelt es sich allerdings um eine verlustlose Kompression.
2.4 Dekomprimierungsablauf
Der Dekomprimierungsablauf erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Der DCT
heisst in diesem Fall IDCT (Inverse Diskrete Cosinus Transformation), bei
dem unter Umständen Abweichungen der Werte durch Rundungsfehler
entstehen können. Das Ergebnis ist dann natürlich wieder das ursprüngliche
JPEG-Bild.
2.5 Schwächen
Die grosse Schwäche der JPEG-Komprimierung ist die Unabhängigkeit der
8x8 Blöcke bei der Diskreten Cosinus Transformation. Hierbei werden
sämtliche Berechnungen nur im Bezug auf diesen Block berechnet, wie auch
die Helligkeitsermittlung. Dadurch entstehen bei hohen Kompressionsraten
sogenannte Mosaikeffekte. Mit dem später entwickelten JPEG2000 Verfahren
kann dieses Problem umgangen werden, da dort anstelle der DCT eine
Wavelet-Transformation verwendet wird.
3. MPEG
Es liegt nun die Vermutung nahe, dass die Aneinanderreihung von JPEGBildern
einen MPEG-Datenstrom ergibt. Das ist grundsätzlich richtig,
allerdings kann durch weitere Verfahren zusätzlich komprimiert, also mehr
Speicherplatz gewonnen werden.
3.1 Überblick
Ermutigt durch die erfolgreiche Arbeit der JPEG-Arbeitsgruppe entstand
Anfang der Neunziger Jahre die MPEG (Moving Pictures Expert Group) um
eine Normierung für Bewegtbild- und Audiokompression zu schaffen.
1990 wurde der erste MPEG-Standard, MPEG-1, entwickelt. Dieser hatte als
Zielanwendung multimediale Software auf CD-ROM (optimiert für Single-
Speed CD-ROM's bei einer Geschwindigkeit von 1,4 Mbit/s).
Im Laufe der Zeit wurden die Nachteile in punkto Qualität und
Geschwindigkeit offensichtlich. Ein weiterer Nachteil war die konstante
Geschwindigkeit beim Auslesen der Daten eines MPEG-Datenstroms.
Dies führte dazu, dass sich die Entwickler einige Jahre später, nämlich 1992,
einen neuen Standard definierten, den MPEG-2 Standard. Dieser hatte als
Zielgebiet den TV-Bereich, da man dort zunehmend an Digitalisierung von
Bewegtbilddaten und deren Übertragung interessiert war. Mit MPEG-2 war
eine Übertragung in Fernsehstudioqualität mit 8Mbit/s möglich.
Ein grosser Vorteil dieses Standards war die Möglichkeit der variablen oder
adaptiven Datenraten beim Auslesen eines MPEG-Datenstroms.
Doch auch dieser Standard kam an seine Grenzen als sich Ende der
Neunziger Jahre das Internet stark verbreitete und der Ruf nach
Videostreaming grösser und grösser wurde. Ausserdem war MPEG-2 nicht
geeignet für interaktive multimediale Anwendungen. Aufgrunddessen wurde
1999 der MPEG-4 Standard ins Leben gerufen. Dieser zeichnet sich durch
sehr geringe Bit- und hohe Kompressionsraten aus und war deshalb ideal für
interaktive Multimediaanwendungen und Videostreaming über das Internet
geeignet. Technisch gesehen werden bei der Erstellung eines MPEG-4
Datenstroms die Szenen in audiovisuelle Objekte aufgeteilt.
Danach folgten weitere Standards wie der MPEG-7 und der MPEG-21
Standard. Bei MPEG-7 handelt es sich um die erste standardiesierte
audiovisuelle Beschreibungssprache, die eine abstrahierte Beschreibung von
Inhaltsmerkmalen wie z.B. Multimedia Browsing und Navigation beinhaltet.
MPEG-21 ist die Erweiterung des MPEG-7 Standards um ein Framework,
welches zur Übertragung multimedialer Inhalte von einem Medium zu einem
anderen relevanten Aspekt dient.
3.2 Komprimierungsablauf
3.2.1 Die drei Bildarten
Wie man sich denken kann basiert die MPEG-Technologie auf den
Grundtechniken der JPEG-Komprimierung, allerdings besteht zwischen 2
aufeinanderfolgenden Bildern eines Filmes eine hohe Ähnlichkeit
(Korrelation). Deshalb wird bei der Kodierung eines Filmes in drei
verschiedenen Einzelbildern unterschieden:
• I-frames
• P-frames
• B-frames
Bei den I-frames handelt es sich um eigenständige Bilder, ähnlich wie
einzelne JPEG-Bilder. Diese treten regelmäßig auf, damit der Decoder nach
dem Szenenwechsel an diesem Bild aufsetzen kann. Diese Bilder werden
ausserdem zum Verhindern von aufsummierten Rundungsfehlern verwendet.
Die P-frames (predicted frames) handelt es sich um Vorhersagebilder, die
lediglich die Differenz zum vorherigen Bild speichern.
Die B-frames (bidirectional frames) werden ausgehend von einem
nachfolgenden und einem vorhergehenden Bild berechnet. Hier ein Beispiel
für ein B-frame, in dem deutlich die Komprimierungsmöglichkeiten sichtabr
werden:
Ein MPEG-Datenstrom besteht somit aus einer sogenannten Sequenz von
Groups-Of-Pictures (GOP) mit I-, P- und B-frames. Im folgenden Bild sieht
man eine typische Anordnung von Groups-Of-Pictures:
Wie somit offensichtlich erkennbar ist mit diesen 3 verschiedenen Bildern
eine deutlich höhere Komprimierung der Einzelbilder möglich.
3.2.2 Zusätzliche Komprimierung
Wenn man sich in einem Film eine Kamerabewegung vorstellt, dann kann
man sich denken, das viele starre Objekte an dem Platz bleiben, an dem sie
sich von Beginn an befunden haben. Befinden sich nun mehrere solcher
starren Objekte in einer Filsequenz mit Kameraschwenk, so ist deren
Bewegung immer gleich. Dies wird im MPEG mittels Motion Compensation
zur weiteren Komprimierung ausgenutzt.
4. Ausblick
Meiner Meinung nach wird Komprimierung in der Informatik auch in Zukunft
eine wichtige Rolle spielen. Multimediale Anwendungen und
Videoübertragungen über das Internet verlangen immer grössere Bitraten und
somit auch höhere Kompressionraten bei möglichst wenig Qualitätsverlust.
Selbst der Aspekt, dass immer mehr Menschen Breitband-
Internetverbindungen benutzen wird nicht zu Zufriedenheit mit jetzigen
Technologien führen, da mit zunehmenden Übertragungsraten auch der
Drang nach mehr Möglichkeiten ensteht und somit das ganze proportional
miteinander wachsen wird.
JPEG und MPEG legten dabei eines Grundstein für Bild- und
Videokomprimierung. Es bleibt offen, welche neuen Technologien den Markt
erstürmen werden, allerdings wird es schwer werden bewährte Formate
abzusetzen, wie im Beispiel von JPEG und JPEG2000 zu sehen ist. Trotz der
Vorteile von JPEG2000 gegenüber seinem Vorgänger, ist es bisher nicht
gelungen, dessen Platz einzunehmen. Dies ist auch darauf zurückzuführen,
dass bekannte Softwarehäuser mit ihren Produkten, wie z.B. Browser-
Anwendungen, bisher nicht standardisiert diese Formate unterstützen und
somit die Verbreitung dieser behindern.
5. Quellenverzeichnis
JPEG:
http://public.rz.fh-wolfenbuettel.de/~riegler/Multimedia/jpeg.pdf
JPEG:
http://www.informatik.uni-hamburg.de/TKRN/world/abro/MM.WS0304/mmkap05.pdf
Grafikformate:
http://rnvs.informatik.tu-chemnitz.de/proseminare/www03/doku/grafikformate/ausarbeitung/jpeg.htm
Der digitale Standard:
http://www.vcs.com/deutsch/presse/downloads/spiegel/vcs_02_99.pdf http://www.vcs.com/deutsch/presse/downloads/spiegel/vcs_03_99.pdf
MPEG:
http://www6.in.tum.de/lehre/seminare/ps_ws0203/dzugan.pdf
Wofür steht MPEG?:
http://www.medizin.uni-tuebingen.de/medienabteilung/downloads/Wof%FCr%20steht%20MPEG.pdf
MPEG:
http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/lehre/ss2004/vorlesungen/medientechnik/09-mpeg.pdf
Der MPEG-4 Multimedia-Standard:
http://www.ient.rwth-aachen.de/engl/team/ohm/publi/funks599.pdf
6. Umfragen
Habt Ihr schon einmal ein selbst MPEG erstellt?
Verwendet Ihr mittlerweile das "bessere" JPEG2000-Format?
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Download der Ausarbeitung als PDF:
ausarbeitung (pdf, 258 KB)
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1. Einleitung (Abstract)
1.1 Deutsch
JPEG (Joint Photographic Expert Group) war in den Achtziger Jahren eine
Gruppe von Entwicklern, die sich mit einem Standard zur verlustbehafteten
Komprimierung von Bildern beschäftigte. Mit dem JPEG-Algorithmus ist es
möglich Bildkomprimierungsraten bis zu 20:1 ohne spürbaren Qualitätsverlust
zu erzeugen. Die Komprimierungsqualität ist vom Benutzer per
Konfigurationsparameter beeinflussbar.
Zur Komprimierung von Bewegtbildern wurde anfang der Neunziger Jahre ein
Standard entwickelt (MPEG – Motion Picture Expert Group). MPEG benutzt
die Grundalgorithmen der JPEG-Komprimierung, allerdings wird aufgrund von
Ähnlichkeiten aufeinanderfolgender Bilder zusätzlich komprimiert. Im Laufe
der Zeit entstanden mehrere MPEG-Formate für verschiedene
Einsatzgebiete.
1.2 English
In the mid eighties, a group of developer, called JPEG (Joint Photographic
Expert Group), were involved in inventing a standard for lossy image
compression. The JPEG algorithm allows creating image compression rates
up to 20:1 without noticeable loss of quality. The quality of compression is
configurable by the user per configuration parameters.
In the beginning of the nineties, a standard for compressing moving images
has been developed (MPEG – Motion Picture Expert Group). MPEG uses the
main algorithm of JPEG compression and additionally further compression
because of affinities of back-to-back images. In the course of time several
MPEG formats for different fields of applications have been developed.
2. JPEG
2.1 Geschichte
Um Bilder auf Datenträgern digital abspeichern zu können sind grosse
Datenmengen nötig. Mit intelligenten Algorithmen ist es möglich, diese
Datenmengen erheblich zu verkleinern. Aus diesem Grund machte man sich
in den Achtziger Jahren Gedanken, einen Standard zur verlustbehafteten
Bildkompression zu schaffen. Infolgedessen wurde 1984 die Joint
Potographic Expert Group (JPEG) gegründet.
Ziele dieses Projektes waren:
● eine Bildkompression mit akzeptabler Komplexität
● Unabhängigkeit von der Bildbeschaffenheit
● vom Benutzer beeinflussbare Bildqualität/Kompression
Im Jahre 1993 wurde ein ISO-Standard für das Ergebnis dieses Projekts
definiert, der ISO 10918.
Die korrekte Bezeichnung für Bilder, die mit JPEG komprimiert werden ist
JFIF (JPEG File Interchange Format). In der Umgangssprache hat sich diese
Bezeichnung allerdings nie durchgesetzt.
2.2 Überblick
Mit der JPEG-Komprimierung hat man die Möglichkeit in 3 verschiedenen
Farbformaten zu speichern:
● 8 Bit Graustufen mit 256 Grautöne
● 24 Bit RGB mit 16,7 Millionen Farben (geeignet für Bildschirmausdrucke)
● 32 Bit CMYK mit 4,3 Milliarden Farben
Die maximale Auflösung eines JPEG-Bildes beträgt 65535x65535 Pixel.
Diese Einschränkung ist natürlich ein Nachteil dieses Verfahrens, auf das
später noch hingewiesen wird (2.5 Schwächen).
Die Beeinflussung der Komprimierung durch den Benutzer erfolgt durch 2
weitere Speicheroptionen:
● Kompressionsstärke (meistens ein Wert von 1-100)
● Format
● sequentiell
● progressiv
● hierarchisch
Während im sequentiellen Format der Bildaufbau von oben nach unten
erfolgt, wird im progressiven Format das Bild in Stufen stetig verbessernder
Qualität aufgebaut. Das dritte Format, also das hierarchische Format, basiert
grundsätzlich auf dem progressiven Grundsatz, allerdings unter Verwendung
von Vorhersagealgorithmen.
Aufgrund verschiedener intelligenter Komprimierungsschritte ist mit dem
JPEG-Format ist eine Kompression von 20:1 ohne spürbaren Qualitätsverlust
möglich.
Im folgenden Beispiel sieht man die verschiedenen Kompressionsraten eines
JPEG-Bildes:
2.3 Komprimierungsablauf
2.3.1 Umwandlung des Farbformats
Im 1. Schritt, der Umwandlung des Farbformats, erfolgt kein zwangsläufiger
Qualitätsverlust, eher ein Informationsverlust. Das menschliche Auge nimmt
Helligkeitsveränderungen eher wahr als Farbveränderungen. Diese
Eigenschaft wird ausgenutzt, indem man das ursprüngliche RGB-Farbformat
in das YUV-Format umwandelt. Das YUV-Farbformat wird deshalb
verwendet, da dort Helligkeits- und Farbewerte getrennt vorliegen.
2.3.2 Diskrete Cosinus Transformation (DCT)
In der Diskreten Cosinus Transformation, die verwandt ist mit der Fourier
Transformation, wird das Bild in 8x8 Pixel-Blöcke aufgeteilt. Jeder Block wird
durch eine Funktion von 64 orthonormierten Vektoren beschrieben und es
entstehen deutlich kleinere Werte.
Das folgende Beispiel zeigt die Werte vor und nach der DCT:
2.3.3 Quantisierung
Bei der Quantisierung erfolgt der eigentliche Komprimierungsprozess, bei der
die in der DCT entstandenen Koeffizienten anhand einer
Quantisierungstabelle gerundet werden. Hierbei kommt dann auch der bereits
erwähnte Komprimierungsfaktor ins Spiel. Je höher dieser ist, desto mehr
wird gerundet, dementsprechend weniger gerundet wird bei einem kleineren
Komprimierungsfaktor.
Bei diesem Runden entstehen viele 0-Werte, da die Werte mitunter sehr klein
sind.
2.3.4 Koeffizientenkodierung
In diesem letzten Schritt der JPEG-Komprimierung wird die Vielzahl der in der
Quantisierung entstandenen Nullen ausgewertet. Es ist nicht sinnvoll diese
Werte einfach abzuspeichern. Deshalb wird hier nur die Häufigkeit ihres
Auftretens abgespeichert.
Dadurch wird abermals Speicherplatz gewonnen. In diesem 4. Schritt der
Komprimierung handelt es sich allerdings um eine verlustlose Kompression.
2.4 Dekomprimierungsablauf
Der Dekomprimierungsablauf erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Der DCT
heisst in diesem Fall IDCT (Inverse Diskrete Cosinus Transformation), bei
dem unter Umständen Abweichungen der Werte durch Rundungsfehler
entstehen können. Das Ergebnis ist dann natürlich wieder das ursprüngliche
JPEG-Bild.
2.5 Schwächen
Die grosse Schwäche der JPEG-Komprimierung ist die Unabhängigkeit der
8x8 Blöcke bei der Diskreten Cosinus Transformation. Hierbei werden
sämtliche Berechnungen nur im Bezug auf diesen Block berechnet, wie auch
die Helligkeitsermittlung. Dadurch entstehen bei hohen Kompressionsraten
sogenannte Mosaikeffekte. Mit dem später entwickelten JPEG2000 Verfahren
kann dieses Problem umgangen werden, da dort anstelle der DCT eine
Wavelet-Transformation verwendet wird.
3. MPEG
Es liegt nun die Vermutung nahe, dass die Aneinanderreihung von JPEGBildern
einen MPEG-Datenstrom ergibt. Das ist grundsätzlich richtig,
allerdings kann durch weitere Verfahren zusätzlich komprimiert, also mehr
Speicherplatz gewonnen werden.
3.1 Überblick
Ermutigt durch die erfolgreiche Arbeit der JPEG-Arbeitsgruppe entstand
Anfang der Neunziger Jahre die MPEG (Moving Pictures Expert Group) um
eine Normierung für Bewegtbild- und Audiokompression zu schaffen.
1990 wurde der erste MPEG-Standard, MPEG-1, entwickelt. Dieser hatte als
Zielanwendung multimediale Software auf CD-ROM (optimiert für Single-
Speed CD-ROM's bei einer Geschwindigkeit von 1,4 Mbit/s).
Im Laufe der Zeit wurden die Nachteile in punkto Qualität und
Geschwindigkeit offensichtlich. Ein weiterer Nachteil war die konstante
Geschwindigkeit beim Auslesen der Daten eines MPEG-Datenstroms.
Dies führte dazu, dass sich die Entwickler einige Jahre später, nämlich 1992,
einen neuen Standard definierten, den MPEG-2 Standard. Dieser hatte als
Zielgebiet den TV-Bereich, da man dort zunehmend an Digitalisierung von
Bewegtbilddaten und deren Übertragung interessiert war. Mit MPEG-2 war
eine Übertragung in Fernsehstudioqualität mit 8Mbit/s möglich.
Ein grosser Vorteil dieses Standards war die Möglichkeit der variablen oder
adaptiven Datenraten beim Auslesen eines MPEG-Datenstroms.
Doch auch dieser Standard kam an seine Grenzen als sich Ende der
Neunziger Jahre das Internet stark verbreitete und der Ruf nach
Videostreaming grösser und grösser wurde. Ausserdem war MPEG-2 nicht
geeignet für interaktive multimediale Anwendungen. Aufgrunddessen wurde
1999 der MPEG-4 Standard ins Leben gerufen. Dieser zeichnet sich durch
sehr geringe Bit- und hohe Kompressionsraten aus und war deshalb ideal für
interaktive Multimediaanwendungen und Videostreaming über das Internet
geeignet. Technisch gesehen werden bei der Erstellung eines MPEG-4
Datenstroms die Szenen in audiovisuelle Objekte aufgeteilt.
Danach folgten weitere Standards wie der MPEG-7 und der MPEG-21
Standard. Bei MPEG-7 handelt es sich um die erste standardiesierte
audiovisuelle Beschreibungssprache, die eine abstrahierte Beschreibung von
Inhaltsmerkmalen wie z.B. Multimedia Browsing und Navigation beinhaltet.
MPEG-21 ist die Erweiterung des MPEG-7 Standards um ein Framework,
welches zur Übertragung multimedialer Inhalte von einem Medium zu einem
anderen relevanten Aspekt dient.
3.2 Komprimierungsablauf
3.2.1 Die drei Bildarten
Wie man sich denken kann basiert die MPEG-Technologie auf den
Grundtechniken der JPEG-Komprimierung, allerdings besteht zwischen 2
aufeinanderfolgenden Bildern eines Filmes eine hohe Ähnlichkeit
(Korrelation). Deshalb wird bei der Kodierung eines Filmes in drei
verschiedenen Einzelbildern unterschieden:
• I-frames
• P-frames
• B-frames
Bei den I-frames handelt es sich um eigenständige Bilder, ähnlich wie
einzelne JPEG-Bilder. Diese treten regelmäßig auf, damit der Decoder nach
dem Szenenwechsel an diesem Bild aufsetzen kann. Diese Bilder werden
ausserdem zum Verhindern von aufsummierten Rundungsfehlern verwendet.
Die P-frames (predicted frames) handelt es sich um Vorhersagebilder, die
lediglich die Differenz zum vorherigen Bild speichern.
Die B-frames (bidirectional frames) werden ausgehend von einem
nachfolgenden und einem vorhergehenden Bild berechnet. Hier ein Beispiel
für ein B-frame, in dem deutlich die Komprimierungsmöglichkeiten sichtabr
werden:
Ein MPEG-Datenstrom besteht somit aus einer sogenannten Sequenz von
Groups-Of-Pictures (GOP) mit I-, P- und B-frames. Im folgenden Bild sieht
man eine typische Anordnung von Groups-Of-Pictures:
Wie somit offensichtlich erkennbar ist mit diesen 3 verschiedenen Bildern
eine deutlich höhere Komprimierung der Einzelbilder möglich.
3.2.2 Zusätzliche Komprimierung
Wenn man sich in einem Film eine Kamerabewegung vorstellt, dann kann
man sich denken, das viele starre Objekte an dem Platz bleiben, an dem sie
sich von Beginn an befunden haben. Befinden sich nun mehrere solcher
starren Objekte in einer Filsequenz mit Kameraschwenk, so ist deren
Bewegung immer gleich. Dies wird im MPEG mittels Motion Compensation
zur weiteren Komprimierung ausgenutzt.
4. Ausblick
Meiner Meinung nach wird Komprimierung in der Informatik auch in Zukunft
eine wichtige Rolle spielen. Multimediale Anwendungen und
Videoübertragungen über das Internet verlangen immer grössere Bitraten und
somit auch höhere Kompressionraten bei möglichst wenig Qualitätsverlust.
Selbst der Aspekt, dass immer mehr Menschen Breitband-
Internetverbindungen benutzen wird nicht zu Zufriedenheit mit jetzigen
Technologien führen, da mit zunehmenden Übertragungsraten auch der
Drang nach mehr Möglichkeiten ensteht und somit das ganze proportional
miteinander wachsen wird.
JPEG und MPEG legten dabei eines Grundstein für Bild- und
Videokomprimierung. Es bleibt offen, welche neuen Technologien den Markt
erstürmen werden, allerdings wird es schwer werden bewährte Formate
abzusetzen, wie im Beispiel von JPEG und JPEG2000 zu sehen ist. Trotz der
Vorteile von JPEG2000 gegenüber seinem Vorgänger, ist es bisher nicht
gelungen, dessen Platz einzunehmen. Dies ist auch darauf zurückzuführen,
dass bekannte Softwarehäuser mit ihren Produkten, wie z.B. Browser-
Anwendungen, bisher nicht standardisiert diese Formate unterstützen und
somit die Verbreitung dieser behindern.
5. Quellenverzeichnis
JPEG:
http://public.rz.fh-wolfenbuettel.de/~riegler/Multimedia/jpeg.pdf
JPEG:
http://www.informatik.uni-hamburg.de/TKRN/world/abro/MM.WS0304/mmkap05.pdf
Grafikformate:
http://rnvs.informatik.tu-chemnitz.de/proseminare/www03/doku/grafikformate/ausarbeitung/jpeg.htm
Der digitale Standard:
http://www.vcs.com/deutsch/presse/downloads/spiegel/vcs_02_99.pdf http://www.vcs.com/deutsch/presse/downloads/spiegel/vcs_03_99.pdf
MPEG:
http://www6.in.tum.de/lehre/seminare/ps_ws0203/dzugan.pdf
Wofür steht MPEG?:
http://www.medizin.uni-tuebingen.de/medienabteilung/downloads/Wof%FCr%20steht%20MPEG.pdf
MPEG:
http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/lehre/ss2004/vorlesungen/medientechnik/09-mpeg.pdf
Der MPEG-4 Multimedia-Standard:
http://www.ient.rwth-aachen.de/engl/team/ohm/publi/funks599.pdf
6. Umfragen
Habt Ihr schon einmal ein selbst MPEG erstellt?
Verwendet Ihr mittlerweile das "bessere" JPEG2000-Format?
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